自診斷傳感器模塊提升汽車網(wǎng)絡(luò)效率

目前實(shí)現(xiàn)上述功能需要20～50個(gè)電子控制單元(ECU)，所用到的傳感器差不多有70～150個(gè)。這些傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量的環(huán)境數(shù)據(jù)范圍很廣，有壓力、溫度、流量、速度、加速度以及角度等。它們將測(cè)量值送到ECU進(jìn)行引擎和環(huán)境控制、安全氣囊觸發(fā)，從而提升舒適度和安全性。像ABS、電子穩(wěn)定程序/控制(ESP/ESC)，以及剎車輔助系統(tǒng)等，都要依賴傳感器輸入。

在這些應(yīng)用中，各種系統(tǒng)的自診斷能力正變得日益重要。例如，如果有可能直接在傳感元件中檢測(cè)到傳感器的缺陷，ECU就能夠獲得可靠數(shù)據(jù)從而做出正確決策。對(duì)于那些與安全息息相關(guān)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)禁用和應(yīng)急啟動(dòng)都相當(dāng)重要。

圖1：如今汽車內(nèi)的電子元器件價(jià)值已占到總車的15-20%。

圖2: 在現(xiàn)代車輛中，常常需要10到20條不同的數(shù)據(jù)總線將不同的裝配連接到一起。

作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的汽車電子

一份有關(guān)汽車電子控制系統(tǒng)的分析報(bào)告顯示，這些裝配的復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)上升。簡(jiǎn)單的電子控制和調(diào)節(jié)裝備已經(jīng)被更為復(fù)雜的IT系統(tǒng)取代。在這其中，除了實(shí)際硬件外，軟件以及ECU間的雙向通信已成為一個(gè)新的關(guān)注點(diǎn)。

例如，可能會(huì)通過(guò)診斷用CAN總線來(lái)訪問(wèn)每個(gè)單獨(dú)的ECU、詢問(wèn)其狀態(tài)、讀取錯(cuò)誤代碼，甚至刷新程序固件。如今，出于成本考慮，許多應(yīng)用中常常會(huì)共享傳感器。這意味著一個(gè)傳感器模塊的測(cè)量值將被幾個(gè)ECU處理。

車輛中的大量應(yīng)用已然轉(zhuǎn)變成了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。以往的常見(jiàn)架構(gòu)(即一個(gè)ECU實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用)已經(jīng)被多個(gè)ECU共享的網(wǎng)絡(luò)功能所取代。

圖3：后備箱蓋功能樹(shù)。

圖3是一個(gè)后備箱蓋的功能樹(shù)。在這里，打開(kāi)后備箱實(shí)際上需要激活兩個(gè)ECU。其余的ECU用來(lái)執(zhí)行顯示和控制功能。

任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。打開(kāi)后備箱蓋這個(gè)動(dòng)作可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤模式有6個(gè)。應(yīng)該是某個(gè)錯(cuò)誤使得傳感器故障，這可能會(huì)在ECU的故障存儲(chǔ)器中產(chǎn)生十幾個(gè)不同的輸入。從這些錯(cuò)誤代碼的分布來(lái)看，有必要獲取比以往更為詳細(xì)的傳感器診斷信息。

汽車傳感器目前所用的通信協(xié)議仍然是模擬輸出。這是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接——即一個(gè)傳感器與一個(gè)ECU連接，并以電壓作為其輸出信號(hào)。盡管已經(jīng)進(jìn)行了一些改善，例如提高分辨率，或增加診斷范圍(LDR, UDR，見(jiàn)圖4)，但模擬輸出仍然是90年代至今該技術(shù)的核心。

圖4:

模擬輸出只允許進(jìn)行信號(hào)范圍內(nèi)(如10-90%)的傳感器信號(hào)傳輸，并通過(guò)開(kāi)關(guān)將低診斷范圍(LDR)和高診斷范圍(UDR)轉(zhuǎn)換為故障狀態(tài)。因此，其無(wú)法傳送更詳細(xì)的故障信息。

解決這一問(wèn)題的方法是在傳感器模塊與ECU之間采用數(shù)字通信，來(lái)傳輸除傳感器數(shù)據(jù)之外的狀態(tài)信息、時(shí)間戳以及誤差代碼等。不過(guò)遺憾的是，向數(shù)字通信轉(zhuǎn)變所引發(fā)的問(wèn)題異常復(fù)雜，因?yàn)閭鞲衅鞯姆N類相差太大，而且不同的傳感器供應(yīng)商所采用的架構(gòu)也有所不同(見(jiàn)圖5)。

圖5：傳感器的種類相差太大，而且不同的傳感器供應(yīng)商所采用的架構(gòu)也有所不同。

從模擬角度來(lái)看，市場(chǎng)上提供各種針對(duì)所有環(huán)境變量的傳感器，而且?guī)缀跛蠩CU微控制器都有模擬輸入口。因此，利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的元器件，或僅需進(jìn)行微調(diào)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)新應(yīng)用不會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題或者大風(fēng)險(xiǎn)。

但這樣的情況卻不適合數(shù)字通信協(xié)議?？捎玫臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議必須以特定方式使用。目前可用的數(shù)字協(xié)議包括：

* CAN：總體來(lái)說(shuō)太過(guò)復(fù)雜，傳感器成本過(guò)于昂貴

* LIN：僅支持最高為19,200 baud的低傳輸率

* 外部傳感器接口(PAS4，PSI5)：專為安全應(yīng)用(如氣囊)開(kāi)發(fā)，要求9V工作電壓，電流消耗大

* SENT：只能支持單向，目前還處于標(biāo)準(zhǔn)化階段中

于是，在需要數(shù)字通信的應(yīng)用中通常會(huì)采用專有方案。這意味著每個(gè)電路制造商都有自己的專有協(xié)議。支持ZMD31150、ZMD的ZACWire (串行數(shù)字接口)提供一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供通信安全，在波特率和行末校準(zhǔn)方面具有靈活性。

未來(lái)幾年的挑戰(zhàn)，是制定和執(zhí)行考慮到傳感器系統(tǒng)和應(yīng)用要求并具成本效益的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字接口。該接口必須滿足下面三個(gè)多少有些矛盾的設(shè)計(jì)條件：

* 電路測(cè)試：為了測(cè)試成本最小化，要求通信速度最大化

* 校準(zhǔn)：盡可能簡(jiǎn)單、靈活

* 應(yīng)用：盡可能快速、安全和兼容，特別是在超出規(guī)范工作電壓、EMC高以及最大RF輻射受限的條件下。

汽車傳感器在安全方面的應(yīng)用正日益增加。對(duì)于可以在危險(xiǎn)的剎車條件下減小剎車距離的剎車輔助系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量剎車系統(tǒng)的壓力，使得ECU能夠檢測(cè)出由駕駛員所發(fā)出的剎車動(dòng)作。傳感器是激活A(yù)BS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準(zhǔn)確。要保證這一點(diǎn)，自檢功能必須盡可能的全面。

如果傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器(SSC) IC發(fā)現(xiàn)模組中的傳感器故障(例如傳感器短路)，或者由于外部故障引起了SSC的無(wú)效操作，ECU必須能夠確定這些問(wèn)題。例如，可以利用ZMD31150來(lái)說(shuō)明如何處理上述問(wèn)題。ZMD31150是一款在汽車應(yīng)用中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的SSC。

ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能(見(jiàn)圖6)將對(duì)傳感器機(jī)能以及SSC進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。

圖6：ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能

一旦檢測(cè)到故障，診斷模式(DM)被激活。數(shù)字通信消息中將建立一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志，或者將模擬輸出切換到預(yù)先編程的診斷范圍LDR或HDR上。

可檢測(cè)故障分為兩類，即硬件和軟件錯(cuò)誤。硬件錯(cuò)誤是在SSC中檢測(cè)到的由硬件問(wèn)題所引發(fā)的故障。本例中，信號(hào)調(diào)節(jié)被終止而DM被激活。

相反，軟件錯(cuò)誤的原因就不會(huì)總是這么清楚或連續(xù)出現(xiàn)。它們可能由外部原因引起，如EMC干擾或者系統(tǒng)板上其他電氣負(fù)載進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。針對(duì)軟件錯(cuò)誤，這里使用了一個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)進(jìn)行“+”運(yùn)算，而當(dāng)錯(cuò)誤不再發(fā)生時(shí)進(jìn)行“—”運(yùn)算。當(dāng)檢測(cè)不到軟件錯(cuò)誤時(shí)，軟件錯(cuò)誤消息被低通過(guò)濾，傳感器返回到正常操作模式。這樣的做法被稱作臨時(shí)診斷DM。

ZMD31150中的臨時(shí)DM是一個(gè)可選項(xiàng)，在錯(cuò)誤持續(xù)出現(xiàn)時(shí)提供可靠的錯(cuò)誤信息。利用附加信息(如冗余傳感器或進(jìn)行大量檢查)，ECU將決定當(dāng)前應(yīng)用能否繼續(xù)可靠工作，或者根據(jù)錯(cuò)誤消息必須關(guān)斷。

如果隨著感性負(fù)載(Schaffner Pulse 3a或3b)接通，某個(gè)故障耦合到了傳感器系統(tǒng)的電源電壓上，該故障同樣能夠耦合到傳感器上，從而觸發(fā)自診斷功能。但是有了臨時(shí)DM，這種情況不得不連續(xù)出現(xiàn)幾次后才向ECU報(bào)告錯(cuò)誤。由于錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器過(guò)濾了結(jié)果，明顯的錯(cuò)誤信息和相應(yīng)的誤導(dǎo)將被避免。

例如，許多駕駛員都體驗(yàn)過(guò)儀表盤上突然顯現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，或者是“檢查發(fā)動(dòng)機(jī)”的指示燈點(diǎn)亮，并伴隨一條請(qǐng)與維修廠聯(lián)系的信息。有時(shí)候該消息在第二天就不再出現(xiàn)，而檢修人員將一個(gè)模組或傳感器更換下來(lái)后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何問(wèn)題。適當(dāng)?shù)能浖^(guò)濾即可消除這類惱人的事情。

本文小結(jié)

利用傳感器信號(hào)調(diào)理IC可以大大簡(jiǎn)化汽車安全傳感器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。確保傳感器輸出100%正確的自診斷功能，只能在信號(hào)調(diào)整階段實(shí)現(xiàn)，鑒于此，該功能必須是片上實(shí)現(xiàn)。

像ZMD傳感器調(diào)理IC這類的器件集成了全面的自診斷功能。通過(guò)配置EEPROM，可以對(duì)某個(gè)錯(cuò)誤進(jìn)行精確定義，并且對(duì)系統(tǒng)如何反應(yīng)進(jìn)行定義。對(duì)檢測(cè)到的錯(cuò)誤事件進(jìn)行響應(yīng)的各類執(zhí)行程序，有助于避免明顯的虛假錯(cuò)誤信息，從而可以增加自診斷的可靠性。